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把我这个曾经搞过7年FEM的思路理清了，哈
不过，文科生能看得懂？看得下去不？
【 在 FHWYSH (FHWYSH) 的大作中提到: 】
: 标 题: 浅谈车身结构安全：如何在碰撞中保护车内乘员安全？
: 发信站: 水木社区 (Sun Apr 11 22:19:34 2021), 站内
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: 浅谈车身结构安全：如何在碰撞中保护车内乘员安全？
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: 之前在几个回帖中谈到与车身结构安全相关的问题，后来发现某些ID毫无理性态度与基本专业认知而只会抬杠，与这样的ID讨论是浪费文字，便删除原有回帖并将相关内容集中为这个主题贴，同时添加了一些关联的基础内容。
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: 一、在车身结构安全方面，车企的实现目标是什么？
: 车身结构安全子系统，是属于“车身碰撞后乘员保护系统”的一部分。
: 车身碰撞后乘员保护系统（A系统） = 车身结构安全子系统（A1子系统） + 乘员约束子系统（A2子系统，由座椅/头枕/安全带/安全气囊/安全气帘组成）。
: A系统的实现目标，是在车身碰撞事故中，最大程度地减少或者避免乘员舱内人员所受到的伤害。A1子系统也同样遵从于这个目标。
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: 二、在A系统方面，车企遵从的产品标准是什么？
: 最基本的要求是中国国标中的条文规定：GB11551、GB20071、GB37337、GB20072、GB31498。但是国标只是最低标准，如果某款车型只按照国标的要求去设计开发A系统，那这样的车型上市之后，对于乘员的保护能力很薄弱。
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: 所以，大部分车企的大部分车型都不会按照国标进行A系统的设计生产，而是会采用乘员保护等级更高的标准：即采用全球6大汽车碰撞测试机构的评估体系，选择其中的一部分或者全部的分项指标作为企业产品标准。
: 不同车型之间的区别，就在于企业为每个细分子项所确定的具体性能数值不同。
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: 举例：
: 直到2021年，中国国标：GB11551、GB20071、GB37337、GB20072、GB31498没有强制要求乘用车配备安全气囊，但是在6大碰撞测试机构的多个子项评价指标中，都必须采用安全气囊才能达到合格分数。
: 所以直到2021年，仍然有某些企业采用国标作为一部分车型的产品安全标准——比如五菱。
: 五菱的一部分车型至今没有配备安全气囊，这样的车型一旦发生中高速碰撞，乘员脸部将会直接撞击到方向盘/仪表台，对乘员的头面部所造成的永久性伤害远大于有安全气囊的车型。
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: 三、车企如何实现更高等级的车身结构安全性能？
: 在车身结构安全（A1子系统）方面，车企需要采用以下三个方面的技术措施来提高对乘员的安全保护效果：
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: (1)设计合理的传力路径与车身框架结构；
: ①通过对不同刚度材料与框架方式的优化组合，设计有效的传力路径，减小乘员舱的挤压概率；
: ②设计有效的冲击引导路径，在发生危害性较大的小偏置碰撞时，将外部撞击物体、轮胎/轮毂、电机、发动机、副车架等引导/滑脱至主体框架结构或者乘员舱外部。
: ③车身前后部设置合理的溃缩相容区，并通过仿真模型进行撞击时间核算，使乘员受到的鞭打加速度、鞭打时间都在安全数值以内，避免乘员的颈部受到致命伤害。
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: (2)采用可靠的车身材料连接工艺；
: 合理的车身连接工艺，才能保证材料的机械性能不受破坏或损失，提高整体结构强度。常见的先进连接工艺包括SPR自冲铆接、FDS流转热熔连接、Laser激光焊接等。
: 对连接工艺的合格率要求越高，连接工序所使用的配套设备就越昂贵。
: 所以不同的车企虽然会采用同样的工艺，但是在它们的白车身车间中，所使用的连接工艺配套设备的价格，可能有着一倍以上的差距，这就会直接造成工艺良率与可靠性的差别。
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: (3)选用合理的车身材料组合；
: 这是最容易被普通消费者直接感知到、车企最常宣传、“车评人”最常提起、消费者最容易被误导的一个要点，下一节就介绍这点内容。
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: 四、车企如何选用合理的车身材料组合来实现车身结构安全目标？
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: 在三.(1)、三.(2)的基础之上，车企在选用车身材料组合时会考察以下2个方面因素：
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: 1. 材料强度与刚度：
: 两个关键考察指标：
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: (1)材料的屈服强度；
: 这一点是很多车企会误导宣传的地方。
: 材料的强度指标分为两种：屈服强度、抗拉强度。
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: 从力学特性上分类，材料可以分为以下类型：
: ①弹性材料：钢材、铝合金、橡胶等；
: ②塑性材料：某些复合材料（其特性如同橡皮泥/面团）；
: ③脆性材料：玻璃、陶瓷等。
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: 对于弹性材料（钢材、铝合金）而言，在遭受外力撞击/挤压之后，它的吸能/变形过程分为三个阶段：
: ①弹性形变阶段（胡克定律）：
: 在该阶段，当外部撞击力消失后，材料会恢复原有的尺寸与形状；
: ②塑性形变阶段：
: 在该阶段，材料内部的晶体结合微观结构被严重破坏，当外部撞击力消失后，材料无法恢复原有的尺寸与形状；
: ③断裂。
:
: “屈服强度”，就是材料在遭受外力撞击之后，在“弹性形变”与“塑性形变”两个阶段之间的临界点；
: “抗拉强度”，就是材料发生“断裂”时的临界点。
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: 在“屈服强度”这一个临界点之前，外部撞击的能量绝大部分转化为弹性势能而没有被材料吸收；
: 从“屈服强度”这一个临界点开始，外部撞击的能量绝大部分转化为材料的内部热能，直到材料发生“断裂”；从“屈服强度”到“抗拉强度”这之间的一个破坏程度的劣化过程，就是材料大量“吸能”的过程。
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: 所以，当某种材料的“屈服强度”与“抗拉强度”具有明确界限，可以区分测量时，这种材料内部的不可恢复性结构破坏就是从“屈服强度”这个临界点开始。
: 在这种情况下，“屈服强度”这一个临界点就是表征这种材料强度的准确指标（而不是“抗拉强度”）。
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: 屈服强度、抗拉强度同时又与材料的另一个重要特性有关：材料的“脆性”。
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: 屈服强度÷抗拉强度 之比值 = “屈强比”。
: “屈强比”越小，表示“屈服强度”与“抗拉强度”之间的距离越远，材料大量“吸能”的过程与时间越长 → 也就是表示，材料的“脆性”越低。
:
: 从而，
: 就引出钢材料、铝合金这两种材料的一个重要特性差别：
: 钢材料的屈服强度一般显著小于抗拉强度 → 钢材料的“屈强比”较小 → 钢材料的“脆性”较低 → 在发生高速碰撞/猛烈碰撞/重型车辆碰撞时，钢材料不容易发生“突然断裂”；
: 铝合金的屈服强度与抗拉强度基本接近 → 铝合金的“屈强比”较大 → 铝合金的“脆性”较高 → 在发生高速碰撞/猛烈碰撞/重型车辆碰撞时，铝合金可能会发生“突然断裂”。
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: 所以，
: 当某种材料的“屈服强度”与“抗拉强度”可以区分测量时，那么在评价材料的强度指标时，默认使用屈服强度作为其性能依据；
: 当某种材料的“屈服强度”与“抗拉强度”没有明确界限，无法区分测量（只能测量出“抗拉强度”）时，那么在评价材料的强度指标时，则使用抗拉强度作为其性能依据。
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: 而某些车企/“车评人”在对外宣传时，却一律将所有材料的抗拉强度作为其性能指标（即使这种材料的“屈服强度”与“抗拉强度”可以区分测量，并有明确的检测数值），在这种情况下，普通消费者就容易被误导。
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: 汽车使用的高强钢的屈服强度/强度为217Mpa～2000Mpa之间（与牌号相关）；
: 汽车使用的铝合金的屈服强度/强度在60～530Mpa之间（与牌号相关）。
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: (2)材料的刚度：
: 主要取决于材料的弹性模量（杨氏模量）与材料的截面积，
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: ①为了达到预先设定的材料刚度，有两种可行方式：
: a.选择弹性模量更高的材料；
: b.增加材料的截面积——也就是增加材料的厚度。
:
: ②当材料的弹性模量越小时，为了达到指定的刚度指标，则材料的截面积就需要做到越大——也就是材料的厚度需要做得更厚。
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: ③这就是为什么在汽车车身中同样的位置，如果采用铝合金材料，就必须要比钢材料做得更厚：
: 高强钢的弹性模量是205Gpa～245Gpa；
: 铝合金的弹性模量是65Gpa～80Gpa;
: 铝镁合金的弹性模量是38Gpa～43Gpa。
: 所以，
: 车身中如果采用铝合金材料，厚度需要做到2mm～5.6mm才能保证基本的刚度要求；
: 车身中如果采用高强钢材料，厚度只需要做到0.7mm～2.3mm，就能保证较高的刚度要求。
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: 2. 材料轻量化：
: 在满足预先设定的强度与刚度指标的前提下，尽量实现更好的轻量化效果。
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: (1)关键点：轻量化 ≠ 铝合金化。
:
: 铝合金的密度为2.7～2.8，高强钢的密度为7.8～7.9；
: 由四、1.中的内容可知，铝合金的屈服强度为高强钢的1/6～1/4，
: 铝合金的弹性模量为高强钢的1/4～1/3，也就意味着在同样的刚度要求下，铝合金材料的厚度需要达到高强钢材料的3倍左右，体积也随之增加，
: 根据牌号的不同，铝合金的价格在高强钢的2倍以上，高牌号的铝合金价格在高强钢的5倍以上。
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: 所以，在强度/刚度、总价、重量这三个变量中，保持总价不变，则高强钢可以更高地实现（强度/刚度↑+重量↓）这个目标函数。
:
: 这主要是得益于钢材行业的较快技术进步+铝合金行业的缓慢技术进步，
: 导致钢材在价格持续下降的同时，达到了超高的强度与刚度；
: 而铝合金在价格缓慢下降的同时，强度与刚度没有明显的技术提升。
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: (2)所以，在10年前，全铝车身是实现轻量化的首选方向；随着技术发展，从2017年开始，各大主流车企包括奥迪、凯迪拉克、宝马、奔驰、大众、沃尔沃、捷豹、福特等都将钢铝混合车身或者钢车身作为轻量化的技术方向；2020年，蔚来发布的ET7车型也改换成了钢铝混合车身路线。
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: 3. 一种特殊材料的前景：碳纤维复合材料（CFRP）
: (1)碳纤维复合材料（CFRP）是一种比“高强钢”和“铝合金”的优点与缺点都更加突出的车身材料。
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: ①优点：
: 密度比“高强钢”和“铝合金”更小，是高强钢的1/4；
: 强度可达3000Mpa以上;
: 碳纤维（CFRP）在分子结构层面与（“高强钢”、“铝合金”）完全不一样：“高强钢”、“铝合金”的力学特性具有各向同性，而碳纤维（CFRP）的力学特性具有各向异性，碳纤维（CFRP）单层沿纤维方向的力学性能显著高于垂直纤维方向的力学性能（剪切性能）。
: 因此，为了达到预先设定的刚度指标，碳纤维（CFRP）不需要像（“高强钢”、“铝合金”）一样通过加厚来实现，而是通过设计合适的单层碳纤维铺设角、铺设比、铺设顺序来实现，从而可以达到比（“高强钢”、“铝合金”）更好的（高强度+轻量化）效果。
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: ②缺点：
: a.昂贵；
: 碳纤维（CFRP）价格比铝合金更高，价格在高强钢的4～6倍以上。
: b.维修困难，碰撞后需要更换结构件的概率大，维修费用比铝合金更高。
:
: (2)所以，目前车企仅在不需要考虑成本的赛车中大规模采用碳纤维（CFRP）材料。在乘用车型中，采用碳纤维（CFRP）的车型有两种情况：
: ①一种是用于车身覆盖件，不将其作为主要受力支撑件；
: ②另一种是用于车身框架结构，将其作为主要受力支撑件；如宝马公司，在它的少数高端豪华车型中就是这种做法。
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: 五、车身采用的材料包括哪些种类？
:
: 1. 钢材料：
: ①软钢 LSS/MS（屈服强度＜217Mpa）：
: IF钢/低碳钢;
: ②高强度钢 HSS（屈服强度＞217Mpa）：
: C-Mn钢/BH钢/HSS-IF钢；
: ③超高强度钢 UHSS（屈服强度＞500Mpa）；
: ④先进高强度钢 AHSS（屈服强度＞600Mpa）：
: 双相钢/复相钢/TRIP钢/MS钢/QP钢/TWIP钢；
: ⑤热成型超高强度钢（屈服强度＞1000Mpa）：
: PHS1000/PHS1300/PHS1500/PHS1800/PHS1900/PHS2000（牌号数字分别代表屈服强度指标）。
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: 2. 铝合金：
: (1)按牌号分为2系、3系、5系、6系、7系；目前量产铝合金的屈服强度最高达到530Mpa左右，但是汽车行业实际采用的铝合金一般屈服强度＜450Mpa，例如：蔚来采用的7系铝合金屈服强度为293Mpa。
: (2)按加工形式分为：
: ①.铸造铝合金；
: ②.变形铝合金：
: a.铝型材；
: b.铝板材；
: c.钣金件。
:
: 3. 塑料/纤维复合材料：
: (1)工程塑料：
: PP、PUR、ABS、PA、PE等；
: (2)纤维复合材料：
: ①玻璃纤维增强树脂复合材料；
: ②碳纤维复合材料（CFRP）。
:
: 六、车身材料组合有哪几种类型？
: 汽车白车身 = 主体框架结构件 + 车身外部覆盖件（四门两盖）。
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: 1. 车身外部覆盖件部分：
: 一般采用钢材+塑料/复合材料；
: 少部分车型中，还采用一定比例的碳纤维（CFRP）材料。
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: 2. 主体框架结构件部分：
: 在车身主体框架结构件部分，各种车型都是采用“钢材（必选） + 铝合金（可选）/铝镁合金（可选）/镁合金（可选） + 工程塑料（必选） + 玻璃纤维复合材料（可选） + 碳纤维复合材料（可选）”的材料组合方式。
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: 按照钢材料/铝合金/碳纤维所占的比例，车身框架结构主要分为四种材料组合类型：
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: ①钢车身（铝合金比例＜40%）；
: ②钢铝混合车身（铝合金比例为40%～90%）；
: ③全铝车身（铝合金比例＞90%）；
: ④碳纤维车身（碳纤维比例＞50%）。
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: 在家用车型/民用车型中，
: 前三种为常见类型；
: 第四种类型极少。
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: 七、车身材料组合方式的几种类型举例
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: 如第六节所述，在车身主体框架结构件部分，各种车型都是采用“钢材（必选） + 铝合金（可选）/铝镁合金（可选）/镁合金（可选） + 塑料/复合材料（必选）/碳纤维（CFRP）材料（可选）”的材料组合方式。
:
: 1. 钢车身（铝合金比例＜40%）；
: (1)各大车企的绝大部分车型都采用这种车身材料组合方式，
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: 在这种组合方式中，提高车身结构安全性的主要途径是：增加各种高等级强度钢的比例。
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: 两个主要指标是：
: ①高强钢（屈服强度＞217Mpa）在车身中的比例；
: 行业良好水平是＞65%，优秀水平是＞72%，一流水平是≥80%；小于60%则水平过低。
: ②热成型钢（屈服强度＞1000Mpa）在车身中的比例；
: 行业良好水平是＞13%，优秀水平是＞20%，一流水平是≥30%；小于7%则水平过低。
: 行业良好水平是热成型钢牌号≥PHS1000，优秀水平是牌号≥PHS1300，一流水平是牌号≥PHS1500。
: 热成型钢主要使用于车身结构传力路径的关键支撑部位，如A柱、B柱、顶横梁、前防撞梁、前纵梁、后纵梁加强梁、上边梁、底部门槛梁、车门内部防撞梁、底部地板横梁等部位。
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: 在国家主管部门发布的行业规划中，车身采用先进高强度钢（屈服强度＞600Mpa）的比例要＞50%；到2025年，车身采用第三代先进高强度钢（屈服强度＞800Mpa）的比例要＞30%。
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: (2)举例：
: 在车身结构安全方面达到行业最高水平的沃尔沃，在其大部分车型中，高强钢（屈服强度＞217Mpa）在车身中的比例为80%，热成型钢（PHS1600,屈服强度＞1600Mpa）在车身中的比例为31%～40%。
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: 岚图、汉的热成型钢比例约30%（牌号PHS1300），
: 迈腾的热成型钢比例为27%，福特mach-e、大众ID4的热成型钢比例约25%，奥迪e-tron的热成型钢比例约22%，领克02的热成型钢比例为16%，宝马ix3的热成型钢比例约15%，领克01的热成型钢比例为12%，奔驰A级的热成型钢比例为9.5%，长城VV7的热成型钢比例为8%，牌号基本都为PHS1000。
: 反面典型：五菱/宝骏的大部分车型高强钢比例＜60%，有一部分车型的高强钢比例甚至＜50%；热成型钢的比例＜7%甚至＜5%，在中高速碰撞时A柱很容易弯折侵入乘员舱，威胁车内乘员的安全。
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: 2. 钢铝混合车身（铝合金比例为40%～90%）；
: (1)由于铝合金材料的维修经济性较差，发生侧面低速/中高速碰撞、正面中高速碰撞、尾部中高速碰撞后，维修费用高于钢材料车身。
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: 因此，采用钢铝混合车身方式的车企，都使用“上钢下铝”的结构——也就是车身上部及侧面（容易受到撞击的部位）采用高强钢材料，车身底部（不容易受到撞击的部位）采用高强钢+铝合金材料。
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: 对钢铝混合车身的安全效果影响比较大的一个难点是：
: 由于高强钢和铝合金的材料属性差别较大，因此对车身连接工艺水平的要求很高，高良率配套设备的价格也比较昂贵。在这方面，欧美车企由于采用钢铝混合车身的时间较早，它们的连接工艺成熟度比较高。
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: 主要指标：
: 由于铝合金全系的屈服强度都低于超高强钢的屈服强度，并且上部车身（碰撞事故中的主要传力路径）为钢材料，因此和七.1.(1)采用同样的评价指标，只不过每个级别的比例门槛值相应下调。
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: (2)举例：
: 埃安V、埃安LX、特斯拉Model 3/Model Y、爱驰U5、极狐αT、奥迪(一小部分车型)、凯迪拉克(一小部分车型)、捷豹(一部分车型)。
: 反面典型：理想one的车身采用铝合金的比例仅为2.4%，却在宣传中称为“钢铝混合车身”，李想确实让理想这个企业沿袭了汽车之家的指鹿为马的风格。
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: 3. 全铝车身（铝合金比例＞90%）。
: (1)为了达到与钢车身接近的强度/刚度，全铝车身的各处结构支撑件都必须做得比钢车身更厚。
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: 在发生侧面低速/中高速碰撞、正面中高速碰撞、尾部中高速碰撞时，铝车身的可维修性较低，大部分情况下需要整体更换结构件，维修费用高于钢车身/钢铝混合车身。
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: 因此，随着钢材行业的快速技术进步，2017年之后，各大国际车企都将轻量化技术发展方向改为了钢铝混合车身或者钢车身。2020年，蔚来发布的ET7车型也改为了钢铝混合车身。
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: 全铝车身的种类包括两种：
: 铝型材车身，铝板材车身。
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: (2)举例：
: 铝型材车身：奇瑞蚂蚁；
: 铝板材车身：蔚来（ES、EC）。
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: 4. 第四种：碳纤维车身（碳纤维（CFRP）结构件比例＞50%）在民用车型中应用极少，如宝马的少数高端豪华车型采用这种结构。
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: 如果碳纤维的生产成本与维修技术能够实现大的突破（目前在钢车身的4～6倍以上），那么碳纤维车身作为一种安全性能最优秀的车身结构，在成本大降/维修技术进步的那个时间点，它就有可能会普及到民用车型中。
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: 5. 以上四种车身结构组合方式的共同点
: 不管哪一种车身结构组合方式，都是通过完善的车身传力路径设计，在适当的受力点选择适当的材料（高强钢、铝合金、碳纤维），并反复进行参数核算与实测，最终实现车身整体的结构安全目标。
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: 6. 关于全铝车身形式的几点备注
: (1)全铝车身的应用思路主要是来源于国际老牌车企对于轻量化指标的极致追求：
: 在10年前，只有铝合金能够达到这个目标，但是铝合金结构件的维修费用高，所以当年的几家国际车企只将全铝车身应用于高端豪华车型中，因为这种车型的用户对于维修费用不太敏感。
: 所以，由于蔚来的车型用户也是定位于对维修费用不敏感的用户，它的这个选择也无可厚非。但是奇瑞蚂蚁的选择就有一点错位。
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: (2)由于铝合金的屈服强度和弹性模量低于高强钢，所以使用全铝车身的车型有两种选择：
: ①不采用较厚的铝合金梁柱支撑件，但是这意味着最终的某些车身结构参数无法做到太高。
: 例如：奇瑞小蚂蚁，铝合金没有做到较厚，车身结构安全级别为普通水平。
: ②为了达到高等级的车身结构参数，将铝合金梁柱支撑件做到较厚，但是这也意味着车身重量的增加（相对于不加厚的情况）、车身成本/维修成本的增加。
: 例如：蔚来EC6，采用较厚的铝合金支撑件，车身结构安全级别达到较高水平。
: (3)所以，几年前在美国市场，全铝车身车型刚刚面市之后，保险公司发现单次出险的平均费用高于其它车型，于是便提高了全铝车身车型的保费。
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: (4)随着宝马、奥迪、奔驰、特斯拉、捷豹、凯迪拉克等国际车企纷纷将技术方向转向钢铝混合车身和钢车身，蔚来的后续车型也已经随之调整为钢铝混合车身方向。
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: 八、车企如何对车身结构安全指标进行验证
: 1. 验证方式包括：
: (1)CAE软件仿真核算车身结构的动态参数、静态参数；
: (2)车企实验室测试车身结构的动态参数、静态参数；
: (3)第三方碰撞机构测试车身结构的动态参数、静态参数。
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: 2. 在车身结构安全性的设计和验证方面，各家车企的不同之处在于：
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: (1)大部分老牌欧美日韩车企、少部分国内车企自建的车身碰撞实验室，其测试仪器和测试项目覆盖并且多于中汽研C-NCAP、中保研C-IASI、IIHS、E-NCAP的所有测试项目；
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: (2)一部分国内车企/大部分中小车企自建的车身碰撞实验室，其测试项目无法实现对以上几大碰撞测试机构的全覆盖（或者没有自建的碰撞实验室）。
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: 3. 这种差异带来的区别是：
: (1)一部分车企由于自主拥有的碰撞实验室的测试项目不全（或者没有自建的碰撞实验室），无法对车身结构安全指标进行全面实测验证，就必须花高额经费频繁送到第三方碰撞实验室进行指标验证。
: 但是为了节省研发费用，它们就有可能会将CAE软件仿真核算的结果作为车身结构安全指标的验证依据，而不是通过实际碰撞来验证。
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: 这就像风阻系数一样，由于频繁送测到第三方机构做风洞实验需要花费高额经费，因此，某些车企就会使用软件仿真的数据来代替风洞测试的实际数据。
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: (2)而另一部分自建拥有完善的车身碰撞实验室的车企，则可以在研发验证阶段，在自建的车身碰撞实验室中对车身结构安全指标进行频繁的实车验证，不需要外包送到第三方实验室进行指标验证，这就保证了各项设计指标的有效实现。
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: ※ 修改:·FHWYSH 于 Apr 12 13:15:48 2021 修改本文·[FROM: 140.207.23.*]
: ※ 来源:·水木社区
http://m.newsmth.net·[FROM: 139.227.114.*]
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修改:FHWYSH FROM 140.207.23.*
FROM 117.136.0.*